12 kV永磁真空斷路器合閘彈跳研究分析

王 俊 張 偉 劉路路 鐘俊杰

（長園電力技術(shù)有限公司，珠海 519000）

1 技術(shù)背景

電力行業(yè)可以為人們的生活質(zhì)量提供強(qiáng)有力的保障，并推動國家經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，因此要求配電網(wǎng)能夠正確判斷、隔離并及時恢復(fù)故障。近年來，隨著城市配電網(wǎng)系統(tǒng)的不斷改造與升級，智能化配電設(shè)備在國家電網(wǎng)中得到了廣泛應(yīng)用[1]。與傳統(tǒng)的彈簧操作環(huán)網(wǎng)柜相比，永磁操作環(huán)網(wǎng)柜具有主要運(yùn)動部件少、無需機(jī)械脫扣和鎖扣裝置、結(jié)構(gòu)簡單、機(jī)械壽命長、動作可靠性高、動作離散性小、熄弧能力強(qiáng)以及燃弧時間短等優(yōu)點，是保證電力系統(tǒng)可靠、安全運(yùn)行和供電質(zhì)量的關(guān)鍵開關(guān)設(shè)備[2]。

傳統(tǒng)的斷路器中彈簧操作機(jī)構(gòu)一直占據(jù)主導(dǎo)地位，隨著斷路器技術(shù)的發(fā)展，永磁操作機(jī)構(gòu)斷路器逐漸受到了人們的青睞[3]。例如：ABB Calor Emag公司研制的永磁操作機(jī)構(gòu)VM1型真空斷路器引起了世界的廣泛關(guān)注；法國Alsthom T＆D EIB S.A公司推出了一款非對稱磁力機(jī)構(gòu)的中壓斷路器；荷蘭Holec公司開發(fā)了一款應(yīng)用于MMS型真空斷路器的單穩(wěn)態(tài)永磁操作機(jī)構(gòu)；20世紀(jì)90年代，國內(nèi)一些廠家和科研單位聯(lián)合開發(fā)出了永磁操作機(jī)構(gòu)的新型開關(guān)；21世紀(jì)初，沈陽工業(yè)大學(xué)與森源電氣聯(lián)合提出12 kV VSM永磁機(jī)構(gòu)樣機(jī)的各項指標(biāo)均滿足國標(biāo)要求；東南大學(xué)林鶴云課題組提出了三線圈永磁操作機(jī)構(gòu)的高壓斷路器和外置碟簧單穩(wěn)態(tài)永磁操作機(jī)構(gòu)。上述研究中的永磁操作類真空斷路器為后續(xù)廠家設(shè)計永磁真空斷路器提供了重要的依據(jù)，并推動了永磁真空斷路器的應(yīng)用和發(fā)展。

基于此，本文在較成熟的中壓永磁真空斷路器的基礎(chǔ)上，結(jié)合永磁真空斷路器批量生產(chǎn)中出現(xiàn)彈跳偏大的問題，分析觸頭彈簧終壓力與合閘彈跳之間變化規(guī)律，為解決斷路器彈跳偏大提供依據(jù)。

2 永磁斷路器結(jié)構(gòu)及工作原理

本文采用三相獨立單線圈單穩(wěn)定永磁機(jī)構(gòu)的永磁斷路器，其分閘彈簧和觸頭彈簧均內(nèi)置于永磁機(jī)構(gòu)中，與其他斷路器相比，其體積更小。該型號永磁斷路器單相結(jié)構(gòu)如圖1所示，該線圈永磁斷路器的永磁機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)如圖2所示，其中：絕緣拉桿、軟母排以及真空滅弧室通過螺紋緊固連接；絕緣拉桿與動鐵芯由觸頭彈簧和自鎖螺母連接，使永磁機(jī)構(gòu)能夠帶動真空滅弧室的動觸頭上下往復(fù)運(yùn)動。該結(jié)構(gòu)的主要運(yùn)動部件為動鐵芯、分閘彈簧、觸頭彈簧、絕緣拉桿以及真空滅弧室動觸頭。

圖1 永磁斷路器單相結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 單線圈單穩(wěn)態(tài)永磁機(jī)構(gòu)分閘位置結(jié)構(gòu)示意圖

當(dāng)機(jī)構(gòu)接到合閘命令時，線圈得到脈沖電壓。當(dāng)線圈產(chǎn)生的磁力大于分閘彈簧的壓力時，動鐵芯開始向下運(yùn)動，動、靜觸頭剛合后，動鐵芯會繼續(xù)壓縮分閘彈簧直到斷路器處于合閘位置，此過程會同時壓縮觸頭彈簧，最后靠永磁體的磁力使其保持在合閘位置。當(dāng)機(jī)構(gòu)接到分閘命令時，線圈得到與合閘電流相反的脈沖電流，從而產(chǎn)生反向磁場。當(dāng)磁體的磁力與線圈產(chǎn)生的磁力矢量之和小于分閘彈簧與觸頭彈簧的合力時，動鐵心開始向上運(yùn)動。合閘達(dá)到剛分位置時，觸頭彈簧和分閘彈簧釋放彈性勢能。從剛分位置運(yùn)動到分閘位置的過程中，分閘彈簧釋放彈性勢能，最后靠分閘彈簧的彈力使其保持在分閘位置。

3 永磁斷路器關(guān)鍵參數(shù)設(shè)計

高壓配電設(shè)備SF6永磁環(huán)網(wǎng)柜關(guān)鍵技術(shù)即永磁斷路器的設(shè)計，在斷路器的設(shè)計中基于所配用的真空滅弧室的性能參數(shù)，能夠確定永磁機(jī)構(gòu)分閘彈簧、觸頭彈簧、磁體保持力、線圈匝數(shù)等相關(guān)參數(shù)。該型號SF6永磁斷路器選用TD-12/1250-25A5真空滅弧室，此真空滅弧室性能參數(shù)如表1所示。

表1 真空滅弧室相關(guān)參數(shù)

根據(jù)真空滅弧室的額定觸頭壓力可以確定觸頭彈簧在合閘位置的壓力值為2 000～2 300 N，選用KB22-65型號的極重荷重模具用矩形彈簧，其原長為65 mm，彈性系數(shù)K值為157 N·mm-1，合閘位置壓縮量為13 mm，合閘位置的壓力值為2 041 N。因斷路器平均合閘速度為0.7±0.2 m·s-1，永磁機(jī)構(gòu)分閘彈簧經(jīng)過反復(fù)調(diào)整與測試選用圓柱螺旋彈簧，其原長為102 mm、彈性系數(shù)K值為16.4 N·mm-1，合閘位置壓縮量為35 mm，合閘位置力值為577 N。單穩(wěn)態(tài)單線圈永磁機(jī)構(gòu)具有靠永磁體的磁力保持?jǐn)嗦菲鞯暮祥l狀態(tài)、靠分閘彈簧的彈力保持?jǐn)嗦菲鞯姆珠l狀態(tài)的功能，永磁體在合閘位置的磁力F為：

式中：F觸為合閘位置觸頭彈簧力，取值為2 041 N；F分為合閘位置分閘彈簧力，取值為500 N；F0為每相剩余保持力，取值為500 N。計算得F=3 118 N。

永磁斷路器靜、動態(tài)仿真分析過程需計算出各運(yùn)動部件在靜、動態(tài)狀態(tài)的受負(fù)載情況，斷路器各運(yùn)動部件在運(yùn)動過程中受到的摩擦力可以忽略不計，整個系統(tǒng)運(yùn)動部分分為真空滅弧室動端、絕緣拉桿和軟母排總質(zhì)量m1和動鐵芯質(zhì)量m2。斷路器運(yùn)動部件在運(yùn)動過程中的受力特性曲線如圖3所示，合閘過程為：分閘位置-剛合位置-合閘位置。

圖3 運(yùn)動部件在運(yùn)動過程中的受力特性曲線

為了保證永磁機(jī)構(gòu)可靠、穩(wěn)定的動作，避免永磁體長時間工作后因磁性減弱導(dǎo)致合閘保持力不足，而發(fā)生故障。永磁體磁力設(shè)計為3 400 N左右。

4 合閘彈跳產(chǎn)生的原因及危害

合閘彈跳是指斷路器合閘時動、靜觸頭剛接觸瞬間直至觸頭穩(wěn)定接觸瞬間的時間差。帶電操作過程中，動、靜觸頭不接觸時會產(chǎn)生電弧，電弧的持續(xù)時間和滅弧能力決定了滅弧室的電壽命[4-5]。隨著真空斷路器技術(shù)不斷成熟，國家標(biāo)準(zhǔn)中已明確規(guī)定了真空斷路器合閘彈跳要小于等于2 ms，從而減少合閘過程動、靜觸頭產(chǎn)生的燃弧時間，避免動、靜觸頭過度磨損，導(dǎo)致真空滅弧室損壞而發(fā)生事故。

與傳統(tǒng)的彈簧操作機(jī)構(gòu)相比，永磁操作機(jī)構(gòu)傳動部件少、安裝簡單，設(shè)計過程中需要確保以下幾點：第一，真空滅弧室、絕緣拉桿和永磁機(jī)構(gòu)之間無任何卡澀現(xiàn)象；第二，應(yīng)保證絕緣拉桿、真空滅弧室以及永磁機(jī)構(gòu)之間的同軸度，避免動觸頭受力不均勻；第三，觸頭彈簧提供的終壓力應(yīng)于真空滅弧室的觸頭終壓力相配合。

4 試驗測試

針對永磁斷路器小批量試制過程中出現(xiàn)合閘彈跳大于2 ms的情況，在核實、確定永磁斷路器主要運(yùn)動部件之間無干涉、無卡澀現(xiàn)象的前提下，采用控制單一變量的方法改變觸頭彈簧的終壓力進(jìn)行相關(guān)試驗，試驗測試現(xiàn)場如圖4所示。其中彈簧的彈性系數(shù)為149 N·mm-1、合閘位置觸頭彈簧的長度為52 mm、壓縮量為13.5 mm，結(jié)合機(jī)械特性測試儀測得觸頭彈簧不同壓縮量與彈跳之間的關(guān)系，如表1所示。測試結(jié)果表明，觸頭彈簧提供的終壓力小于真空滅弧室額定觸頭壓力最小值的97.5%時，合閘彈跳大于2 ms，并且觸頭彈簧提供的終壓力越小彈跳越大。因此，為了避免生產(chǎn)中永磁斷路器出現(xiàn)彈跳偏大的問題，應(yīng)使觸頭彈簧終壓力與真空滅弧室觸頭額定壓力相匹配。

圖4 斷路器機(jī)械特性測試現(xiàn)場圖

表1 觸頭彈簧不同壓縮量與彈跳測試結(jié)果表

5 結(jié)語

結(jié)合永磁斷路器小批量生產(chǎn)中出現(xiàn)彈跳大于2 ms的問題，采用控制單一變量的試驗方法，測試觸頭彈簧在不同終壓力下斷路器的彈跳，實驗結(jié)果表明，觸頭彈簧提供終壓力小于真空滅弧室額定觸頭壓力最小值的97.5%時，合閘彈跳大于2 ms，并且觸頭彈簧提供終壓力越小彈跳越大。本次試驗為指導(dǎo)車間員工安裝永磁斷路器提供了重要的依據(jù)。